明渠非恒定流数值计算

本文从特征线理论出发，将计算非恒定流常用的差分格式统一起来，根据实际问题所需的不同精度要求，可单独使用某一格式或联合使用其中的两种模式。该方法理论严密，程度设计紧凑，通用性强，收敛速度快。可用于水库，河道及河网地区的洪水演算，水电站尾水渠及抽水蓄能电站上、下库水位－流量过程计算，还可用于通航船闸，灌区配水等非恒定流条件下水力参数的计算。     

短模型上的明渠非恒定流试验

水工整体模型试验中,明渠非恒定流至今大多被简化为恒定流,而效果有时并不理想。本文指出,只要设置固定式曲线尾门,并有必要的动态量测设备,便可模拟原型非恒定流;即使模型偏短,也能得出比恒定流试验更接近原型的成果。在同一模型上,既做恒定流试验,又进行必要的非恒定流试验,二者相辅相成,必将有助于试验水平的提高。作为例证,本文介绍了泄洪调度导致航道水面波动的一项试验成果,并以岩基冲刷、通航水流条件、围堰过水、河床冲淤等研究课题为例,讨论了采用“短模型非恒定流试验方式”的必要性与可行性。     

上游常水位自动控制渠道明渠非恒定流动态边界条件

本文在分析灌溉渠道上游常水位闸门（即ＡＭＩＬ门）动态过程的基础上，建立了以闸门运动为动态边界条件的明渠非恒定流计算模型。通过对闸门动态过程数学模型的拉氏变换、Ｚ变换和Ｚ反变换，列出了描述闸门运动受水位变动影响的差分方程，将其与描述明渠非恒定流的一维计算模型互为边界条件，用非耦合算法计算，可以预报系统的过渡过程，为渠道和闸门的合理设计提供依据。     

复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型

大型跨流域调水工程。通常具有输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量多的特点。节制闸、分水口及倒虹吸、渡槽等建筑物与水流的复杂作用，造成了长距离输水明渠非恒定流模拟的困难。建立了复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型。模型定义和模化了节制闸、倒虹吸和多孔并联渡槽等3种类型的内边界条件，实现了对输水明渠水力过渡过程中水位、流量大幅度变化的无间断连续模拟。模型应用于南水北调中线一期工程总干渠全线和单个闸门的模拟分析。验证了模型的合理性。结果表明，模型能够模拟多内边界复杂输水渠道的水力响应过程，可作为南水北调中线一期工程等跨流域大型明渠输水工程的模拟工具。     

明渠恒定非均匀渐变流设计断面简易计算方法

在明渠恒定均匀流流量公式的基础上,推导明渠恒定非均匀渐变流流量近似计算公式,并应用于淮北平原水利连通工程河道断面设计。利用HEC程序试算设计断面的过流能力,验证明渠恒定非均匀渐变流计算公式精度满足要求,且计算简单方便,可应用于工程设计。     

明渠恒定非均匀流比降一面积法高洪糙率的确定

本文是根据恒定非均匀流的计算公式，研究影响糙率的各因子，分析水位与各因子的关系有其规律，将其高水延长，确定出高洪糙率，达到比降－面积法应用的目的。     

基于明渠非恒定流仿真模型的灌区水情信息耦合研究

为扩展灌区水情实时监测系统的时空覆盖能力,增强系统的检测性能和可靠性,采用基于灌溉渠系运行仿真模型,通过在系统输入变量上叠加"干扰流量"的方法,建立起离散的实时监测数据之间的关联,同时基于对灌区用水模糊特征的分析,估计干扰用水的不确定性,使系统保持必要的信息冗余,进而应用信息融合理论和数值拟合等方法实现灌区水情信息融合。该方法不仅对建立具有跟踪能力的灌区实时仿真系统具有应用价值,而且克服了信息融合技术用于复杂系统的诸多限制,为扩展信息融合理论在系统方程确定的众多民用领域的应用,提出了一个普遍适用的技术途径。     

明渠恒定非均匀流比降—面积法高洪糙率的确定

本文是根据恒定非均匀流的计算公式,研究影响糙率的各因子,分析水位与各因子的关系及其规律,将其高水延长,确定出高洪糙率,达到比降~面积法应用的目的。     

浅析明渠非恒定流计算Abbott六点中心格式

介绍了Abbott六点中心格式在明渠非恒定流中的离散过程和求解方法,研究探讨了上游流量下游水位的边界条件和上游水位下游流量的边界条件对计算结果的影响。通过与常用且较成熟的柯朗格式、Preissmann四点偏心格式等的数值计算结果相比较发现,Abbott六点中心格式对边界条件类型有较高的要求,为了保持格式的稳定和准确性,应尽量避免上游水位、下游流量的边界条件类型。     

管道非恒定流摩阻损失研究

非恒定流计算中摩阻项不能准确描述瞬交流的真实物理现象，多年来人们一直在寻求非恒定流摩阻的精确度和计算方法。目前国内对这方面的研究比较少，为了促进该研究的进一步发展，总结了非恒定流摩阻项改进方面已取得的成果，并在此基础上提出了一些新的思路和研究方法，并获得了一些初步成果。     

明渠弯道水流运动规律研究现状

自然界中河流经常是弯曲的,使得弯道环流研究成为水力学及河流动力学最重要的课题之一。明渠弯道水流运动规律的研究主要包括弯道水面横比降、横向环流垂线分布和环流流速沿程分布等方面。本文对这三方面的研究成果进行了归纳与分析,并对弯道水流运动规律的研究现状进行了评述。通过罗索夫斯基的实验资料对弯道环流流速分布公式和环流流速沿程分布公式进行了检验比较,向工程界推荐出相应的计算公式。     

水力光滑明渠流流速分布的新公式

采用一个新的湍流黏性模型研究水力光滑明渠流的流速分布,得到的结果与以往在明渠中所测的实验数据吻合较好。基于这个湍流黏性模型,推导出一个新的光滑明渠流外部区域的流速亏损规律,该表达式可以推广到内部区域,并提出一种新的确定内部区域流速分布的近似方法。运用本文给出的公式计算结果与由多普勒激光流速计所测的实验数据吻合良好。在只给出平均流速和水深的情况下,根据本文给出的公式可求得内外区域流速分布。     

Self-aeration of open channel flow

It is suggested that the cause of self-aeration in open-channel flow occurs when the turbulent normal stress exceeds the gravimetric pressure. A criterion for the start of self-aeration is established on this basis. A computational four-layer model of an aerated flow is proposed. It is also proposed that the equation of turbulent diffusion be used to calculate the distribution of air concentration along the normal to the bottom. Results are compared with experimental distributions of concentrations, and a satisfactory relationship is obtained.     

明渠均匀流研究

利用普朗特-卡门（Prandtl-Karman）粗糙平板上的流速分布公式, 推出了二维明渠均匀流的流速计算公式;然后,在假定矩形渠道底部阻力和边墙阻力相等的条件下,推出了矩形明渠均匀流的流速计算公式;随后,利用尼古拉兹的粗糙管道流阻力系数公式,推出半圆形明渠满流时的计算公式,再转化为非满流条件下的计算公式。将推导出来的二维、矩形及半圆形明渠计算公式的计算结果同前人的试验结果相对比,二者吻合良好;并同谢才-曼宁公式的计算结果进行对比,结果表明,文中4个算例的计算结果比谢才-曼宁公式的计算结果更接近试验值。     

泥沙对挟沙水流流动结构影响的研究

应用MicroADV研究了不同粒径的泥沙颗粒在不同水力条件下对水流流动结构的影响。实验发现：挟沙水流流动结构的变化不仅与颗粒的大小密切相关，而且与水流流动条件有关，颗粒对水流结构的影响随着水力条件的变化而改变：在强水流条件下，不论粗、中、细泥沙都不改变主流区的流速分布及紊动强度；在中等强度水流条件下，粗、中、细三种颗粒的加入都使流速大于相同条件的清水水流，而其紊动强度则较清水水流低；在弱水流条件下，三种颗粒的加入都不改变水流的流速分布，但粗颗粒使水流紊动强度显著增大，而中、细颗粒基本不改变其紊动强度。     

明渠均匀流断面尺寸的实用求解

对明渠均匀流断面尺寸计算的试算法和迭代法进行了分析,推导了明渠均匀流渠道底宽的迭代公式。针对以上两种方法,编写的相应的Excel计算程序,这种程序有利于设计人员快速掌握,可缩短设计时间,提高设计效率。     

基于粒子图像测速技术的明渠圆柱上游行近流特征研究

现有实验测量和数值模拟方法难以准确捕获近水面流动特征,为全面掌握墩柱上游行近来流的内部结构和水面特征,通过明渠圆柱绕流试验,采用粒子图像测速技术对柱体上游的对称垂面进行了测量,获得了行近来流的瞬时二维流场和水面线。在此基础上,对圆柱上游的时均流动和壅水特征进行了研究,得出上游行近来流从水面至床面依次由上升流、近水平流和下降流构成,形成典型的三层结构,其中,上升流厚度随柱体雷诺数增加而变厚,下降流无量纲厚度基本不随柱体雷诺数改变。在靠近柱体的床面附近,边界层与床面分离,分离区内为向上游流动的逆流以及一个马蹄涡和一个次生涡;在靠近柱体的水面附近存在表层逆流以及两个逆向涡。研究结果揭示出边界层分离、表层逆流及柱体本身依次促使行近来流减速,使得沿程水深雍高,壅水末端至圆柱迎水面的水面线符合一元四次函数分布,无量纲壅水长度随着柱体雷诺数的增加而延长。研究成果可作为基于流体体积法等具有自由水面计算能力的明渠墩柱绕流数学模型的验证依据。     

明渠高含沙水流的两个重要特性研究

本文从三维恒定雷诺方程式出发导出了计算二维均匀明渠高含沙水流紊流极限切应力τＢＴ的公式．公式中包含了紊动扩散系数εｍ，并通过分析天然河道实测资料和室内水槽试验资料研究了εｍ沿垂线分布的规律，结论是明渠高含沙水流的紊动扩散系数εｍ沿垂线分布规律和低含沙水流的类似，在河底处εｍ为０；在河底至相对水深０．２范围内εｍ随水深增加而变大，在相对水深０．２至水面范围内εｍ为常数．用所得τＢＴ计算公式对部分天然河道实测资料进行验算，大多数明渠高含沙水流属紊流流态，不存在紊流极限切应力τＢＴ     

高分辨率粒子示踪测速技术在光滑明渠紊流黏性底层测量中的应用

在光滑明渠紊动水流的研究中,黏性底层具有重要的作用,壁面剪切应力与涡量均源于此流区。由于充分发展明渠紊流的黏性底层的物理尺度在0.1 mm量级,常规方法难以实际测量该区内的速度分布。本文构建了测量黏性底层的高分辨率HR-PTV与测量全流区的普通PIV的耦合测量系统,对光滑明渠紊流黏性底层的流动特性进行了研究。HR-PTV系统采用阈值递增法、灰度截断、椭圆度与充实度指标等方法进行图像处理得到清晰的粒子图像;使用匹配几率法对粒子坐标进行匹配,计算粒子速度。得到了明渠紊流黏性底层(0.3 mm以内)的平均流速、紊动强度、偏态系数和峰度系数的垂线分布。从拟合的平均流速分布得出摩阻流速u*,结果与牛顿流体本构方程一致;黏性底层与全流区的时均流速、紊动强度和雷诺应力均能用拟合所得的u*合理无量纲化,并能光滑连接,表明由此得出的u*适用于全流区。将明渠紊流的各种分布与封闭槽道流DNS数据进行对比,验证了HR-PTV在黏性底层所得各阶速度矩的准确性。